大型球鐵件鑄造工藝設(shè)計的一些問題

大型球鐵件鑄造工藝設(shè)計的一些問題

隨著制造業(yè)的適度轉(zhuǎn)型和重新化，優(yōu)質(zhì)大型和重型球壓件作為機(jī)械基件的需求越來越高。鋼鐵鑄件重1～10t的稱為大型鑄件,大于10t的稱為重型鑄件。很多優(yōu)質(zhì)大型球鐵件特別是出口鑄件要求非常高的內(nèi)部致密度和表面質(zhì)量,必需經(jīng)受嚴(yán)格的檢驗,例如要進(jìn)行無損探傷,鑄件不允許焊補。另外,大型鑄件不能像小型鑄件那樣可以做多次反復(fù)的工藝試驗,要求一次成功,這樣就使鑄造工藝設(shè)計者面臨更大的壓力與挑戰(zhàn)。應(yīng)用計算機(jī)輔助CAD設(shè)計與計算機(jī)鑄造過程模擬CAE技術(shù),模擬鑄造過程,預(yù)測鑄件縮孔、疏松、夾渣、沖砂等缺陷大小與位置,對原工藝進(jìn)行改進(jìn)和修正,直至得出滿意的模擬結(jié)果,以此確定最優(yōu)化工藝,之后澆注鑄件進(jìn)行生產(chǎn)驗證,這就是大型球鐵件可靠性工藝設(shè)計的主要步驟。20世紀(jì)80年代,加拿大QIT公司總冶金師卡塞(StephenI.Karsay)博士,根據(jù)鑄鐵凝固收縮特性所提出的球墨鑄鐵澆口和冒口設(shè)計方法,以及隨后西安理工大學(xué)魏兵教授所研究的鑄鐵件均衡凝固與有限補縮工藝原則、澆注系統(tǒng)大孔出流原理等,仍然是大型球鐵件澆冒系統(tǒng)設(shè)計的指導(dǎo)參考依據(jù)。本公司近年來生產(chǎn)大、重型球鐵件上萬t,鑄件最大單重50t,被廣東省經(jīng)貿(mào)委定點為重點發(fā)展船舶、風(fēng)電、工程機(jī)械和塑料機(jī)械等配套大型球墨鑄鐵件的生產(chǎn)企業(yè)。本文根據(jù)水力學(xué)有關(guān)原理和球鐵冶金學(xué)基礎(chǔ)理論,參考國內(nèi)外的一些實例,結(jié)合本企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)驗,闡述和討論大型球鐵件可靠性工藝設(shè)計的一些基本方法。1鑄造工藝設(shè)計大型球鐵件采用呋喃樹脂自硬砂作為造型材料,粘土干砂型已基本被淘汰。類似于雙面模板,上、下模樣分別固定在上、下底板,橫澆道與內(nèi)澆道固定在上型板的分型面上,不夠位置時也可以在砂芯上設(shè)置澆口。直澆道用陶瓷管形成,冒口和出氣片從面箱向上拔出,所以一般是明冒口,可在箱面上放澆口杯和加高冒口。拔模時垂直吊起砂箱敲擊底板把手,借助模具自重向下脫模,然后拆去型腔里的活塊。所以在進(jìn)行工藝設(shè)計時必須要考慮這些不同于粘土砂造型的特點:①重要加工面(尤其大平面)向下;②只考慮一個分型面,不應(yīng)多于兩個(這時可在面箱加一個砂箱或局部小砂箱形成另一個分型面);③采用底注方式,盡量避免落差大的頂注,即鑄件的全部或大部分放在上箱。如必須要放在下箱時,用陶瓷管澆口連接成兩層內(nèi)澆口;④對較長鑄件或重型鑄件,用兩個直澆口兩頭澆注,對重型鑄件要用到拔塞式固定包,其鐵液流出孔對準(zhǔn)直澆口;⑤采用明冒口,冒口與橫澆道不相連,即鐵液不從冒口引入型腔;⑥應(yīng)用均衡凝固方式,在鑄件精密加工面和厚實部位放置冷鐵。2u2004鑄件參數(shù)通過合理設(shè)計澆注系統(tǒng),可以控制鐵液流量,從而控制澆注時間,使鐵液穩(wěn)流進(jìn)入型腔,并起到擋渣、隔渣作用,以大流量、小流速、平穩(wěn)、分散為原則。大多數(shù)大型鑄件由澆口杯、直澆道、橫澆道和內(nèi)澆道組成4單元的澆注系統(tǒng),其中直澆道、橫澆道與內(nèi)澆道截面比值在小于5的范圍內(nèi)變化,屬于大孔出流。按水力學(xué)近似計算公式,亦稱奧贊(Osann)公式,確定內(nèi)澆道的截面積:A3=G0.31μHp√3A3=G0.31μΗp3(cm2)式中Hp——內(nèi)澆道平均壓頭,cm;μ3——內(nèi)澆道流量系數(shù),取0.45～0.60;G——鑄件澆注重量,kg;t——鑄件澆注時間,s。對于大型鑄鐵件,推薦t=S1δ?G????√3(s)t=S1δ?G3(s)或t=S2G?√t=S2G式中S1、S2——經(jīng)驗系數(shù),S1=1.5～2.0,S2=1.0～1.7,快澆時取下限;δ——鑄件平均壁厚,mm。按大孔出流理論計算四單元澆注系統(tǒng)中內(nèi)澆道在不同鑄件位置的平均壓頭:頂注時Hp=k221+k21+K22HΗp=k221+k12+Κ22Η中注時Hp=k221+k21+K22(H?C/8)Ηp=k221+k12+Κ22(Η-C/8)底注時Hp=k221+k21+K22(H?C/2)Ηp=k221+k12+Κ22(Η-C/2)式中H——澆口杯到內(nèi)澆道的高度。兩層澆口時,可簡化為澆口杯到兩層澆口的中間距離;C——鑄件高度;k1、k2——有效截面比,k1=μ1A1μ2A2k1=μ1A1μ2A2;k2=μ1A1μ3A3k2=μ1A1μ3A3。μ1、μ2——分別為直澆道、橫澆道的流量系數(shù),均為0.50～0.65;A1、A2、A3——分別為直澆道、橫澆道、內(nèi)澆道的截面積。對于大件采用開放式澆注系統(tǒng),初定截面比:ΣA1∶ΣA2∶ΣA3=1∶2∶1.5(或1∶1.5∶1.2)把實際計算的Hp代入奧贊公式確定內(nèi)澆道的截面積,再按以上截面比值確定直澆道、橫澆道的實際截面積,是以伯努利方程為基礎(chǔ)推導(dǎo)換算的水力學(xué)近似公式,再用大孔出流理論修正壓力頭計算鑄鐵件澆注系統(tǒng)各組元截面積的基本方法,它解決了用原公式計算出來的截面積偏小、澆注時間較長的問題。推薦采用分散多個寬而薄的內(nèi)澆道,寬度應(yīng)5倍于其厚度以上,以利于擋渣、清理和均衡凝固。第2層內(nèi)澆口用陶瓷管與橫澆道相接,內(nèi)徑?25～?35mm。橫澆道要求高而窄,高度與寬度的比例取(1.6～2)∶1。3在特定的條件下,完全可以雙作用大型球鐵件的冒口設(shè)計是按照球鐵冷卻凝固時膨脹可以抵消大部分收縮,甚至在一定條件下完全可以抵消收縮的原理。因為球鐵從液態(tài)到固態(tài)的凝固過程中,不僅隨著冷卻發(fā)生體積收縮,同時由于析出石墨球而體積膨脹,從而可以利用其自身的膨脹所引起的體積增加量來補償二次收縮。3.1鑄造工藝設(shè)計經(jīng)驗證明,如符合如下條件,對采用無冒口鑄造工藝是有利的:①使用堅固的鑄型,如樹脂自硬砂型和厚實的砂箱,注意緊實深凹處不易緊實的地方。上、下砂型用螺栓或箱卡緊固,僅僅用壓重的方法是不夠的;②要求冶金質(zhì)量高,碳當(dāng)量接近共晶成分,CE值≥4.2%;③鑄件平均最小模數(shù)為2.5cm;④保持澆注溫度范圍為1290～1350℃;⑤快澆,通過合理設(shè)計澆注系統(tǒng),以及低溫澆注時設(shè)置多個8～16mm薄片型內(nèi)澆道來配合實現(xiàn);⑥在上型鑄件頂部位置排放多個?10～?20mm的排氣孔,以有利于鑄型排氣和鐵液快速充填;⑦必須在重要加工面放置冷鐵。二十多年來,我國已有很多采用無冒口工藝鑄造球鐵件的成功實例,但是在鑄造大型特別是重型鑄件時還是要慎重小心。3.2壓邊r至鑄型鑄件的孔隙率mtn及壓邊冒口在不能完全滿足以上某些條件的情況下,放置若干總重量不超過鑄件重量2%的安全冒口是必要的。在目前普遍使用樹脂自硬砂鑄造大型球鐵件中,為造型和脫模方便,安全冒口常設(shè)計成矩形或隨形壓邊明冒口,安置在鑄件的頂部,起到補縮和排氣作用以及容易清除,與用粘土砂鑄造小件不同,不從壓邊縫隙引入鐵液作澆口用。壓邊冒口相當(dāng)于冒口頸長度為零的冒口,雖然壓邊縫隙很窄,但是該處型砂不易散熱,且鐵液充滿鑄型后流經(jīng)此縫隙而得到加熱,所以在澆注完畢后的一段時間里仍能從上而下補充鑄件的液態(tài)體積收縮(包括鑄件表層的凝固收縮),防止縮孔的產(chǎn)生。用于球墨鑄鐵的壓邊縫隙寬窄要適宜,寬度太小則鑄件還處于液態(tài)時縫隙口就已凝固封閉,起不到液態(tài)補縮作用;過大則由于鑄件進(jìn)行石墨化膨脹時縫隙口尚未凝固,致使一部分漿狀金屬液從這里擠出來,即造成所謂的“倒縮”反饋現(xiàn)象,結(jié)果在此位置形成縮孔。因此,壓邊寬度應(yīng)能使縫隙口在鑄件接觸部位液態(tài)收縮后石墨化膨脹之前凝固,即要符合下式:Mn=Ms{Tp-1150/(Tp-1150+l/c)}式中Mn——冒口頸模數(shù),對于壓邊冒口,Mn為壓邊縫隙面積與其周長之比;Ms——鑄件接觸部位模數(shù),cm;Tp——澆注溫度,℃;l——鑄鐵的結(jié)晶潛熱,為(193～247)kJ/kg;c——鑄鐵比熱容,在1150～1350℃溫度范圍內(nèi),c為835～963(kg·℃)。壓邊安全冒口的總重量以不超過鑄件重量的2%為宜,其長寬高之比:a∶b∶h=1∶(0.5～0.7)∶(1.5～2.5)壓邊縫隙寬度既要有補縮作用又要易于清除,可參考表1確定。對于某些由于外形原因不便于安放壓邊冒口的鑄件,可采用鴨嘴型或楔縫型冒口,其縫隙寬度e比壓邊的大2～4mm,以避免澆注時沖砂。3.3有限補縮冒口的設(shè)計在生產(chǎn)以珠光體為主的球鐵件(如QT600-3、QT700-2或以上牌號)或生產(chǎn)低溫抗沖擊的鐵素體球鐵件(如低硅的QT350-22AL、QT400-18AL牌號等)時,由于收縮率較大,采用安全小冒口仍然不夠保險,因而,應(yīng)采用能最大限度利用石墨化自補縮作用的有限補縮冒口,其基本要點是:①冒口不必要晚于鑄件凝固,其補縮量和補縮時間是有限的,因此可以用較小的冒口去補縮鑄件;③冒口不應(yīng)該放在鑄件的幾何熱節(jié)上,可靠近或離開熱節(jié);④熱節(jié)(冒口根部)處安放冷鐵,以縮短該處的凝固和收縮時間。按經(jīng)驗,大型球鐵件有限補縮冒口的體積或重量要比安全冒口增大1.5～2.5倍,壓邊縫隙寬度相應(yīng)增加15%～30%。4控制凝固時間鑄件各部分冷卻凝固時間的先后是不同的,但我們可以通過利用冷鐵(或其它激冷物)、鑄件分型面設(shè)置、澆冒口引入位置選擇等方式,控制鑄件的凝固時間和方向,以達(dá)到消除鑄件縮孔縮松缺陷之目的。4.1膨脹與凝固收縮相抵按以上有限補縮原則使鑄件各部分及澆冒系統(tǒng)均衡地凝固的方式,即充分利用石墨化膨脹與凝固收縮的迭加相抵。這種方式,可采用有限補縮冒口及安全冒口工藝,并在鑄件的熱節(jié)位置和重要加工面放置冷鐵,以平衡壁厚溫差,防止鑄件凝固慢的厚實處出現(xiàn)縮孔或縮松缺陷。冷鐵厚度對激冷作用影響很大,外冷鐵一般取壁厚的0.3～0.6倍。4.2工藝均壓凝固從工藝上采取措施,使鑄件各部分之間的溫差盡量減小,以達(dá)到各部分幾乎同時凝固完畢。這種方式與均衡凝固的差別是強(qiáng)調(diào)減小鑄件內(nèi)應(yīng)力、裂紋和變形,而未考慮冒口補縮及重要加工面要求快冷卻。按此原則鑄件可不必設(shè)置冒口或僅設(shè)置安全冒口。4.3冒口與被冒口的討論從工藝上采取措施,使鑄件上遠(yuǎn)離冒口處先凝固,與冒口接觸處后凝固,冒口最后凝固。這種方式把冒口放在鑄件最高的厚實部位熱節(jié)上,實現(xiàn)從下至上的定向凝固,最后縮孔在冒口里形成。一般認(rèn)為順序凝固工藝不適用于石墨鑄鐵件特別是球墨鑄鐵件,因為如果不適當(dāng)?shù)夭捎靡粋€很大的冒口或冒口頸,雖然鑄件的液態(tài)收縮可以順利地從冒口處得到補償,避免了集中縮孔,然而,共晶轉(zhuǎn)變期間石墨化膨脹會使鑄件內(nèi)產(chǎn)生非常大的壓力,會把熔融鐵液通過冒口頸擠入冒口,從而在鑄件與冒口頸的相連部分產(chǎn)生縮孔,或者在鑄件內(nèi)部出現(xiàn)縮松。但是,對于珠光體型球鐵或球鐵閥體、中高壓缸體一類致密度要求極高的鑄件,采用暗冒口形式的發(fā)熱保溫套冒口,或者澆注鑄件時在明冒口放上發(fā)熱保溫覆蓋劑,并配合采用對應(yīng)的易割片,也是一種很實用的順序凝固工藝方式,可以減小冒口體積1/2～1/4,高效率的發(fā)熱保溫冒口能提高工藝出品率7%～8%,補縮效率達(dá)到33%～40%,從而獲得無內(nèi)部縮孔、疏松缺陷的優(yōu)質(zhì)鑄鐵件。5工藝實例(1)注塑機(jī)鎖模油缸缸體(圖1)(2)螺絲機(jī)機(jī)座(圖2)(3)壓鑄機(jī)頭板(圖3)(4)